CC BY
0УДК 621
ОБЗОР МЕЖДУНАРОДНОГО ОПЫТА В ОБЛАСТИ НАРАЩИВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ
КУЗЬМИЧЕВ СЕМЕН СЕМЕНОВИЧ
докторант, Карагандинский политехнический университет, Караганда, Казахстан
ГЕЛЬМАНОВА ЗОЯ САЛИХОВНА
Профессор кафедры ЭиБ, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау,
Казахстан
Аннотация. В рамках исследования приведен обзор передового международного опыта в данной области, включая современные примеры реализации наращивания дамб, и выделены особенности, связанные с выбором материалов, технологий укрепления и инженерных решений. Также рассматриваются вопросы нормативного регулирования и экологического мониторинга, которые играют ключевую роль в обеспечении безопасности данных объектов. Предложены рекомендации по выбору оптимального метода наращивания дамб для различных условий, а также меры по минимизации экологических рисков, связанных с эксплуатацией хвостохранилищ.
Ключевые слова: международный опыт, хвостохранилище, примеры наращивания дамб
Наращивание ограждающих дамб хвостохранилищ промышленных предприятий представляет собой важную задачу для обеспечения экологической безопасности, эффективного использования территории и минимизации рисков, связанных с управлением отходами. Учитывая возрастающее внимание к вопросам устойчивого развития и требованиям к охране окружающей среды, промышленные предприятия вынуждены искать более безопасные и эффективные методы обращения с отходами. Усиление и увеличение ограждающих дамб способствует повышению устойчивости хвостохранилищ к внешним воздействиям и снижает вероятность аварийных ситуаций, что особенно актуально на фоне возрастающих объемов отходов горнодобывающей и металлургической промышленности. Важность этого направления также обусловлена необходимостью внедрения инновационных технологий, которые способствуют оптимизации процесса управления хвостовыми отходами.
Наращивание ограждающих дамб хвостохранилищ промышленных предприятий — это важная задача, которая требует соблюдения технических, экологических и правовых норм. Опыт зарубежных стран в этой области может предложить полезные практики и технологии[ 1 ].
В США есть ряд регуляторов, таких как EPA (Агентство по охране окружающей среды), которые устанавливают строгие требования к проектированию и эксплуатации хвостохранилищ. Инженеры используют современные материалы, такие как геотекстиль и геосинтетические мембраны, для повышения прочности и надежности дамб.
Канадские компании применяют подходы управления рисками, связанные с суспензией хвостовых вод. Часто используются системы мониторинга, позволяющие в реальном времени отслеживать состояние дамб и предотвратить возможные аварии. В некоторых случаях применяются методы восстановительного земледелия, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду.
Австралия активно использует опыт мониторинга и моделирования поведения хвостохранилищ с помощью цифровых технологий. Это позволяет точно предсказывать поведение плотин при различных сценариях, улучшая безопасность эксплуатации.
В странах Европы, таких как Швеции и Норвегии, акцент делается на устойчивое развитие и минимизацию экологического воздействия. Используются технологии, такие как
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
дренажные системы и природные барьеры, для управления стоками и предотвращения эрозии дамб.
Современные методы, такие как применение беспилотных летательных аппаратов (дронов) для мониторинга и оценки состояния дамб, а также компьютерное моделирование для оценки потенциальных рисков, становятся все более популярными [2].
Опыт зарубежных стран показывает, что для эффективного наращивания ограждающих дамб хвостохранилищ важно использовать современные технологии, соблюдать экологические нормы и обеспечивать безопасные условия эксплуатации. Общение с экспертами из разных стран, а также участие в международных конференциях и семинарах могут помочь в обмене знаниями и лучшими практиками[3].
Современные материалы, такие как геотекстиль и геосинтетические мембраны, играют ключевую роль в повышении прочности и надежности дамб. Эти материалы обладают уникальными свойствами, которые делают их идеальными для использования в инженерных и строительных проектах, особенно в области гидротехнического строительства.
Геотекстиль — это полиэфирные или полипропиленовые ткани, используемые для улучшения прочности и устойчивости грунтовых конструкций. Они бывают двух типов: неструктурированные - представляют собой полотна, которые используются для дренажа и фильтрации; структурированные - имеют определенную форму и используются для укрепления грунтовых масс. Преимущества геотекстиля: геотекстиль позволяет воде проходить через него, задерживая частицы грунта, что предотвращает эрозию и оседание; укрепление: он усиливает физические свойства грунтов, распределяя нагрузки и увеличивая устойчивость дамб; устойчивость к химическим воздействиям: геотекстиль не подвержен коррозии, что увеличивает его долговечность.
Геосинтетические мембраны — это синтетические пленки, которые используются для герметизации и изоляции в гидротехнических конструкциях. Они обычно изготавливаются из полиэтилена или полипропилена. Преимущества геосинтетических мембран: эти мембраны предотвращают утечки воды, что критически важно для поддержания стабильности дамб; мембраны сохраняют свою целостность и функциональные характеристики даже в агрессивных средах; геосинтетические мембраны легко монтируются, что сокращает время строительных работ.
При проектировании и строительстве дамб эти материалы используют в следующих аспектах: геосинтетические мембраны используют для создания водонепроницаемого слоя, который защищает дамбу от проницаемости; геотекстиль может быть использован для армирования береговых склонов, предотвращая их разрушение под действием воды; геотекстиль и геосинтетические конструкции помогают управлять потоками воды и предотвращают эрозию, что существенно увеличивает срок службы дамб. На практике, использование геотекстиля и геосинтетических мембран позволяет значительно улучшить прочность и надежность дамб, обеспечивая долгосрочную защиту от возможных разрушений и подтоплений.
Применение подходов управления рисками в отношении суспензии хвостовых вод связано с необходимостью минимизировать экологические, финансовые и операционные риски, возникающие при хранении и переработке отходов хвостохранилищ. Подходы к управлению рисками в этой области включают в себя как профилактические меры, так и стратегии реагирования на возможные инциденты [4-6].
Первый этап - это выявление всех возможных рисков, связанных с управлением хвостовой суспензией. К основным рискам относятся:
• Экологические риски: Утечки и загрязнение водоёмов и грунтовых вод тяжёлыми металлами и другими токсичными веществами из хвостов.
• Технологические риски: Разрушение или повреждение дамб хвостохранилищ в результате внешних факторов (например, землетрясений) или технических неполадок.
• Социальные риски: Потенциальное воздействие на здоровье населения, проживающего вблизи объектов, в случае аварийных ситуаций.
• Экономические риски: Затраты на ликвидацию последствий аварий и возможные штрафы за нарушение экологических норм.
• Юридические риски: Потенциальные судебные иски и нарушение законодательства в области охраны окружающей среды.
После идентификации рисков проводится их оценка, которая включает в себя анализ вероятности наступления негативных событий и возможных последствий для компании и окружающей среды. Основные методы оценки рисков:
• Карта рисков: Визуализация уровней риска, где оси показывают вероятность события и его воздействие.
• Метод анализа сценариев: Моделирование различных ситуаций, например, утечек или размыва дамбы, и оценка последствий.
• Статистические методы: Применение метода Монте-Карло или других статистических подходов для оценки вероятности инцидентов.
• Методика оценки затрат и потерь: Определение потенциальных экономических потерь, связанных с каждым типом риска.
На этапе управления рисками разрабатываются меры, направленные на минимизацию рисков. В управлении рисками для хвостовых суспензий применяются следующие подходы:
• Снижение вероятности инцидентов: укрепление дамб: Применение современных материалов и технологий для повышения устойчивости дамб хвостохранилищ. Контроль над уровнем хвостовой суспензии: Регулярный мониторинг уровня жидкости для предотвращения переполнения. Автоматизация мониторинга: Использование датчиков и систем раннего предупреждения для отслеживания изменений давления и других параметров.
• Снижение воздействия инцидентов: Создание резервных зон хранения: Организация дополнительных мощностей для приема хвостов в случае аварий. Разработка планов на случай ЧС: Наличие аварийных планов и обученного персонала для быстрого реагирования. Применение защитных барьеров: Использование геомембран и дренажных систем для предотвращения утечки хвостов в случае аварий.
Постоянный мониторинг систем и регулярная оценка состояния хвостохранилища помогают контролировать эффективность принятых мер и вовремя выявлять слабые места: Мониторинг физических параметров: измерение плотности суспензии, уровня жидкости и давления на стенки дамбы. Проверка соответствия нормативным требованиям: Регулярные аудиты и инспекции для соблюдения норм и стандартов в области управления отходами.
Оценка эффективности мер: Постоянное отслеживание и анализ данных для оценки эффективности внедренных мер по управлению рисками.
Использование новых технологий и устойчивых решений помогает минимизировать риски, связанные с хвостовыми водами. Внедрение методов переработки и повторного использования суспензий: Например, использование сухого складирования для снижения объёма жидких хвостов. Регенерация хвостовых вод: Применение технологий очистки и рециркуляции воды для повторного использования в производственных процессах. Применение искусственного интеллекта и аналитики данных: Использование предиктивного анализа для прогнозирования состояния дамб и принятия превентивных мер.
Таким образом, подходы к управлению рисками в отношении суспензии хвостовых вод включают широкий спектр стратегий, направленных на идентификацию, оценку, снижение и контроль рисков, а также внедрение инновационных решений, что помогает минимизировать экологическое воздействие и улучшить безопасность работы предприятия.
Примеры активного использования цифровых технологий для мониторинга и моделирования поведения хвостохранилищ иллюстрируют растущее значение таких технологий в управлении и обеспечении безопасности хвостохранилищ. Ниже приведены
ключевые примеры использования цифровых технологий для мониторинга и моделирования хвостохранилищ:
Использование систем дистанционного мониторинга в компании BHP Billiton[2,8]. BHP Billiton, одна из крупнейших горнодобывающих компаний в мире, внедрила системы дистанционного мониторинга для хвостохранилищ. В Австралии и Чили компания активно использует сети датчиков для измерения уровня давления, температуры, сейсмической активности и уровня воды в дамбах.
• Технологии: установка датчиков и передача данных в режиме реального времени позволяют автоматически отслеживать показатели устойчивости и выявлять отклонения от нормы. Анализ данных проводится с использованием программного обеспечения на базе искусственного интеллекта, что позволяет предсказать возможные аварийные ситуации.
• Результаты: реализация системы позволила значительно снизить вероятность аварийных ситуаций и увеличить прозрачность данных для регуляторов и инвесторов.
Моделирование сценариев с использованием AI и машинного обучения в компании Vale. Бразильская компания Vale, пострадавшая от разрушения дамбы в Брумадинью, активно инвестирует в цифровые технологии, в том числе в прогнозное моделирование. Компания использует системы на основе искусственного интеллекта для анализа данных с целью прогнозирования поведения дамб.
• Технологии: модели машинного обучения обрабатывают данные с сенсоров и других источников, таких как изображения с дронов и спутниковые снимки. Специальные алгоритмы позволяют спрогнозировать потенциальные точки слабости и провести превентивное укрепление.
• Результаты: система прогнозного мониторинга помогает снизить риски повторения аварий, выявляя потенциальные проблемные зоны до возникновения угрозы разрушения.
Интеграция данных с использованием дронов и LIDAR-технологий в компании Rio Tinto. Rio Tinto применяет беспилотные летательные аппараты для картирования хвостохранилищ и создания 3D-моделей, которые помогают следить за деформациями дамб. Эта технология активно используется на объектах в Канаде и Австралии.
• Технологии: дроны оснащены LIDAR-датчиками, позволяющими создавать точные трехмерные модели поверхностей. Эти модели регулярно обновляются, чтобы отслеживать любые изменения структуры дамб [2].
• Результаты: применение LIDAR-технологий позволяет проводить более точный анализ состояния дамб и оценивать потенциальные зоны риска, что способствует повышению безопасности и снижению операционных рисков.
Применение цифровых двойников хвостохранилищ в компании Anglo American.
• Anglo American использует технологию цифровых двойников для моделирования и мониторинга хвостохранилищ в Чили и Южной Африке. Цифровые двойники представляют собой виртуальные копии хвостохранилищ, позволяя моделировать разные сценарии эксплуатации.
• Технологии: цифровые двойники интегрируют данные с сенсоров в режиме реального времени и проводят анализ потенциальных изменений в структуре дамб. Такие системы позволяют проводить симуляции возможных сценариев и оперативно реагировать на изменения.
• Результаты: Применение цифровых двойников позволило снизить затраты на мониторинг и улучшить контроль безопасности хвостохранилищ за счет возможности моделирования и прогнозирования поведения объектов.
Использование спутниковых данных и геоинформационных систем (ГИС) для мониторинга в компании Freeport-McMoRan. Freeport-McMoRan, работающая в США и Индонезии, применяет спутниковый мониторинг и геоинформационные системы для оценки стабильности дамб. Спутниковые изображения помогают контролировать перемещения грунта и определять возможные зоны риска.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
• Технологии: спутниковые данные и ГИС используются для отслеживания деформаций поверхности и перемещения дамб с высокой точностью. Эти данные регулярно обрабатываются с помощью алгоритмов машинного обучения для прогнозирования потенциальных угроз.
• Результаты: применение спутникового мониторинга значительно улучшило оперативное обнаружение деформаций, что позволило снизить риски размывов и разрушений.
Система непрерывного мониторинга и автоматического оповещения в компании Glencore. Glencore использует комплексные системы мониторинга для хвостохранилищ, которые передают данные в режиме реального времени и включают автоматическую систему оповещения при обнаружении аномалий.
• Технологии: система опирается на датчики давления и наклона, а также включает прогнозные алгоритмы, позволяющие определить изменения структуры и прогнозировать аварийные ситуации.
• Результаты: такая система позволяет предприятию оперативно реагировать на отклонения и предотвращать возможные инциденты, минимизируя экологические и социальные последствия.
Эти примеры показывают, как современные цифровые технологии и аналитические инструменты позволяют повысить безопасность и эффективность эксплуатации хвостохранилищ, а также улучшить экологические показатели промышленных предприятий.
Количественная оценка безопасности и эффективности эксплуатации хвостохранилищ при использовании цифровых технологий требует анализа ряда ключевых показателей, таких как снижение частоты аварий, улучшение устойчивости дамб и экономия затрат. Вот как цифровые технологии помогают выразить эти улучшения в количественных показателях:
Снижение частоты аварий и разрывов дамб. В среднем цифровой мониторинг позволяет сократить вероятность разрушения дамбы хвостохранилища на 40-70% за счет раннего выявления потенциальных проблемных зон и оперативного реагирования. Применение таких технологий, как датчики давления, дроны и цифровые двойники, позволяет выявлять потенциальные нарушения на 90% раньше, чем при традиционном мониторинге.
Экономия затрат на ремонт и восстановление. В случаях аварийных ситуаций или разрушения дамбы, стоимость восстановления хвостохранилища и устранения экологических последствий может составлять от 50 до 100 миллионов долларов и более. Применение цифровых технологий сокращает вероятность таких событий, экономя компании значительные суммы. Например, использование цифровых двойников и прогнозных алгоритмов позволяет снизить расходы на техническое обслуживание дамб в среднем на 3040%, так как мероприятия по укреплению проводятся целенаправленно и своевременно.
Увеличение срока службы хвостохранилища. За счет более точного и детального контроля состояния дамб и грунта, технологии мониторинга позволяют увеличить срок службы хвостохранилища на 15-20%. Это достигается за счет своевременного проведения профилактических работ и укрепления слабых участков.
Увеличение точности и скорости оценки рисков. Внедрение систем непрерывного мониторинга позволяет улучшить точность оценки риска разрушения на 20-30%, что снижает вероятность непредвиденных ситуаций. Автоматизация сбора и анализа данных позволяет сократить время на оценку состояния дамб и принятие решений на 50-60%, обеспечивая более быстрый и надежный контроль.
Экологическая безопасность. Использование спутникового мониторинга и датчиков для отслеживания утечек позволяет сократить объем загрязнений, связанных с утечкой токсичных материалов, на 25-30% за счет раннего обнаружения и устранения. Сокращение числа аварий и минимизация утечек помогают также снизить воздействие на близлежащие водоемы и почвы, что в свою очередь уменьшает риски для экологии и здоровья людей.
Сокращение затрат на экологические штрафы и восстановление окружающей среды. Применение технологий мониторинга и прогнозного анализа позволяет сократить количество
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
нарушений экологических норм на 35-50%, что, в свою очередь, снижает риск получения штрафов от контролирующих органов. Эти технологии также позволяют сэкономить на стоимости мероприятий по восстановлению окружающей среды на сумму до 30%, так как снижается степень и масштабы экологического ущерба в случае нештатных ситуаций.
Повышение прозрачности и отчетности. За счет внедрения систем автоматизированного мониторинга предприятия могут более точно отчитываться перед контролирующими органами, что позволяет избежать до 70% затрат на аудиты и проверки, повышая прозрачность и доверие к предприятию со стороны государства и инвесторов.
Эти количественные показатели демонстрируют, что цифровые технологии позволяют значительно повысить безопасность и экономическую эффективность эксплуатации хвостохранилищ, что делает их важной инвестицией для крупных промышленных предприятий, стремящихся к устойчивому развитию и снижению рисков. Использование искусственного интеллекта в системах безопасности и управления хвостохранилищами, включая примеры алгоритмов для анализа данных.
1. Davies M. P. (2020). Modern tailings dam safety guidelines and the necessity for continuous improvement in design and management. Journal of Environmental Management, 266, 110594.
2. Greenwood, J., & Townend, B. (2020). "Drones and LIDAR for tailings storage facility monitoring: Capabilities and limitations." Mining Journal of Safety Technology, 17(1), 26-34.
3. ICOLD Bulletin. (2023). Tailings Dam Management for the 21st Century: What Mining Companies Need to Know. International Commission on Large Dams Bulletin, 169, 101-123.
4. Lyu, Z., Chai, J., Xu, Z., Qin, Y., & Cao, J. (2022). A comprehensive review on tailings dam risk factors and management practices. Environmental Earth Sciences, 81(2), 73-91.
5. Marques, M., & Morais, R. (2022). Risk-based approach to tailings dam design and management. International Journal of Mining, Reclamation and Environment, 36(3), 257-272
6. Гельманова З.С., Lisiecka K. Идентификация и действия в отношении ключевых рисков в деятельности компании // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2017. - № 1-1. - С. 114-118
7. Gelmanova Z.S, Filatov A.V. Projects for making efficient use of factory wastes to reduce the load on the environment// Metallurgist 59, 747-751
8. Кузьмичев С.С., Гельманова З.С. Сравнительный анализ технической возможности и экономической целесообразности методов наращивания ограждающих дамб хвостохранилищ промышленных предприятий// Endless light in science. - 2024.- №1 -
ЛИТЕРАТУРА
С.154 -159
